Flight experience and executive functions predict unlike professional pilots who are limited by the FAA's age rule, no age limit is defined in general aviation (GA)

Unlike professional pilots who are limited by the FAA's age rule, no age limit is defined in general aviation (GA). Some studies revealed significant aging issues on accident rates but these results are criticized. Our overall goal is to study how the effect of age on executive functions (EFs), high level cognitive abilities, impacts on the flying performance in GA pilots. This study relies on three components: EFs assessment, pilot characteristics (age, flight experience), and the navigation performance on a flight simulator. The results showed that contrary to age, reasoning, working memory (WM) and total flight experience were predictive of the flight performance. These results suggest that "cognitive age", derived in this study by the cognitive evaluation, is a better mean than "chronological age" consideration to predict the ability to pilot, in particular because of the inter-individual variability of aging impact and the beneficial effect of the flight experience

Improving situation awareness of a single human operator interacting with multiple unmanned vehicles: first results

In the context of the supervision of one or several unmanned vehicles by a human operator, the design of an adapted user interface is a major challenge. Therefore, in the context of an existing experimental set up composed of a ground station and heterogeneous unmanned ground and air vehicles we aim at redesigning the human-robot interactions to improve the operator's situation awareness. We base our new design on a classical user centered approach

The Physiological User's Response as a Clue to Assess Visual Variables Effectiveness

International audienceThe paper deals with the introduction of Bertin's visual variables in an ATC context. The ranking of the efficiency of these variables has been experimentally verified by Cleveland, however, no studies highlight the physiological correlates of this ranking. We analyzed behavioral, physiological and subjective data recorded on 7 healthy subjects facing a visual comparison task witch involve 5 selected visual characterizations (angle, text, surface, framed rectangles and luminosity). Results showed that the observed accuracy was coherent with Mackinlay ranking of visual variables. Psychophysiological and subjective measurements are also discussed

Executive functions and pilot characteristics predict flight simulator performance in general aviation pilots

In general aviation, 85% of the crashes seem to be caused by pilots' errors (Li, Baker, Grabowski, & Rebok, 2001) and 46% of the crashes occur at airports (Li & Baker, 1999). It is important to determine if the same factors influence the flying performance and the landing decision making and to uncover which factors, among the pilot's cognitive status, personality traits, and experience, are the most predictive. We examined in 24 general aviation pilots the relationship between those factors and the flying performance and weather-related decision-making relevance. The cognitive assessment encompassed the three basic executive functions (Miyake et al., 2000), reasoning, and psychomotor velocity. The personal characteristics were age, flight experience, and level of impulsivity. Reasoning, updating in working memory, and flight experience were predictive of the flight performance. In addition, updating in working memory, flight experience, and level of impulsivity were linked with weather-related decision-making relevance

Le cerveau au travail : Optimiser la Performance Humaine par la Neuroergonomie

Le volume considérable de recherches menées dans le domaine des neurosciences cognitives révèle la profonde volonté d’améliorer notre compréhension du comportement et de ses corrélats cérébraux. Cette révolution cognitive a encouragé la mise en œuvre d’études sur des questions sociétales importantes traitant de thèmes aussi variés que la santé, les troubles psychiatriques, la maturation neuronale, les apprentissages ou encore les maladies neurodégénératives. Aussi, et assez récemment, la nécessité de mieux appréhender l’interaction entre l’humain et la technologie dans les environnements professionnels ou lors d’activités quotidiennes a fait émerger une discipline connue sous le nom de neuroergonomie. Elle est le fruit de l’association des neurosciences et des facteurs humains, la combinaison de l’étude des fonctions cérébrales avec celle de l’adéquation entre la technologie et les capacités humaines. Cette voie prometteuse offre la possibilité de produire des connaissances à la fois pour les neurosciences, en étudiant le cerveau impliqué dans des activités écologiques, et pour l’ergonomie, qui peut ainsi raffermir sa pratique en prenant en compte les contraintes—invisibles à l’œil nu—des mécanismes cérébraux sous-jacents à la cognition. Notre capacité journalière à accomplir correctement des tâches élaborées, structurées et organisées dans le temps, repose bien entendu sur le bon fonctionnement de notre cerveau. Toutefois, le cerveau présente des limites incontournables malgré son extraordinaire complexité (plusieurs milliards de neurones interconnectés). Lorsque les contraintes cognitives liées à la nature de ce système biologique sont connues, elles font de l’erreur humaine la conséquence logique du fonctionnement normal du cerveau placé dans un contexte mal adapté. En d’autres termes, l’erreur humaine devient alors un symptôme des carences du système. Les facteurs humains s’intéressent depuis longtemps au processus mentaux sous-jacents aux activités complexes. La charge mentale ou les effets du stress en sont des thématiques classiques, notamment dans le domaine des transports. Cette pratique a apporté un éclairage indispensable pour comprendre certains accidents. Un exemple tristement célèbre d’analyse facteurs humains des effets du stress est lié à l’accident ferroviaire qui s’est produit en 1988, en gare de Lyon, entre un train SNCF en provenance de Melun, et un train à l'arrêt en partance pour Melun. L’accident fut très meurtrier (56 morts et 57 blessés), et le procès eut un grand retentissement. Alors que tout accusait le conducteur du train, qui avait purgé par erreur le système de freinage, privant ainsi la rame des sept huitièmes de sa capacité à ralentir, l’analyse d’un spécialiste des facteurs humains (François Danielou) mis en évidence les fameuses erreurs « latentes » qui avaient largement favorisé l’accident. Par exemple, à la SNCF les robinets ne correspondaient pas aux stéréotypes normalisés : « …peut-on imaginer un constructeur automobile qui inverserait les pédales de frein et d'accélérateur? Pendant quelques minutes, le chauffeur ferait attention. Mais il est évident qu'en situation de réflexe il appuierait à fond sur l'accélérateur, croyant enfoncer la pédale de frein » (voir article dans le journal L’humanité, L'homme et la machine au procès de la gare de Lyon, Samedi, 18 Septembre, 1993). Sous l’emprise d’un stress délétère, tout s’est passé comme si le conducteur avait eu recours à sa mémoire procédurale, à des automatismes qui ont contribué à l’accident, et nombreux sont ceux qui auraient commis la même erreur. La prise en compte de l’environnement et du contexte de travail sur la performance humaine est également dans les objectifs de la neuroergonomie. S’il est désormais systématique en aéronautique de prendre en compte les données des boites noires, il revient à la neuroergonomie de donner une visibilité sur l’autre boite noire qu’est la cognition humaine. Ainsi comme nous le verrons dans ce manuscrit, les études menées sur les limites attentionnelles humaines montrent que notre capacité à percevoir des alarmes inattendues peut être altérée par une forte charge en mémoire de travail. Grace à l’électroencéphalographie (EEG), nous pouvons éclairer ce phénomène comportemental par l’observation directe de la réaction cérébrale, témoignage objectif d’une incapacité temporaire d’un l’individu à traiter des stimuli se trouvant en dehors de son focus attentionnel. Cette signature cérébrale, montrant nos limites attentionnelles (en fait la nature même de notre fonctionnement cérébral), indique qu’il serait bien souvent injustifié d’accuser de négligence des opérateurs n’ayant pas réagi de façon appropriée à des alarmes critiques. Passionné de nouvelles technologies et d’informatique, certainement par esprit de contradiction, j’ai néanmoins choisi dans ma jeunesse de réaliser un cursus de psychologie. Pendant ces études menées à Nîmes (université « Vauban ») puis à Montpellier (université Paul Valéry), j’ai rapidement nourri un grand intérêt pour les sciences cognitives qui savent intégrer ingénierie informatique et description formelle de l’esprit humain. J’ai réalisé ensuite un « DESS » (master 2 aujourd’hui) de facteurs humains à l’université Jean-Jaurès (anciennement Mirail) de Toulouse. Ce DESS m’a donné l’opportunité de faire un passage par la société Intuilab (Toulouse) en tant qu’ergonome spécialiste des interfaces hommes machines. Au cours de cette expérience professionnelle, j’ai pu appréhender l’importance de la prise en compte de l’humain dans le développement de tout système technologique. J’ai appris aussi qu’il fallait beaucoup d’humilité et d’expérience pour réussir à mettre en pratique des connaissances académiques dans le monde industriel. Etant dans le département R&D d’Intuilab, j’ai vivement senti l’intérêt de la recherche « fondamentale appliquée » pour faire progresser les technologies, et la volonté profonde de mener des recherches en facteurs humains, tout en les enrichissant par des connaissances récentes en neurosciences, m’a conduit à réaliser un second master 2, cette fois ci à l’INSERM U825. Au cours de ce Master 2 de neuropsychologie, mon désir de conjuguer neurosciences et facteurs humains et mon parcours original m’ont mené à positionner une ambition scientifique autour de la neuroergonomie qui s’est traduite par la première thèse en France selon cette approche. Depuis cette thèse soutenue en 2010, avec Frédéric Dehais, nous avons développé notre activité non seulement au sein de l’ISAE, avec un accroissement fulgurant de l’effectif de notre équipe, mais également à l’extérieur, avec une reconnaissance nationale et internationale de nos travaux, tant par les acteurs académiques qu’industriels. Je présente dans ce manuscrit une partie importante de mes travaux en facteurs humains et neuroergonomie de l’aviation menés depuis mon intégration à l’ISAE en 2011. Ils sont réalisés soit en situation contrôlée de laboratoire, soit en situation plus écologique comme la simulation aérienne ou le vol réel en avion léger. Le chapitre 1 traite des effets de la charge mentale sur la performance humaine. Le chapitre 2 s’intéresse aux effets de stresseurs plus émotionnels. Le chapitre 3 décrit les travaux portant sur l’évolution cognitive et cérébrale au cours du vieillissement normal. Finalement, le chapitre 4 présente les perspectives de recherche, portant notamment sur la recherche de solution neuroergonomiques pour optimiser la sécurité et la performance humaine

Intelligent cockpit: eye tracking integration to enhance the pilot-aircraft interaction

In this research, we use eye tracking to monitor the attentional behavior of pilots in the cockpit. We built a cockpit monitoring database that serves as a reference for real-time assessment of the pilot’s monitoring strategies, based on numerous flight simulator sessions with eye-tracking recordings. Eye tracking may also be employed as a passive input for assistive system, future studies will also explore the possibility to adapt the notifications’ modality using gaze

Mitigation of Conflicts with Automation: Use of Cognitive Countermeasures

Objective: The aim of this study was to empirically assess the efficacy of cognitive countermeasures based on the technique of information removal to enhance human operator attentional disengagement abilities when facing attentional tunneling. Background: Lessons learned from human factors studies suggest that conflict with automation leads to the degradation of operators’ performance by promoting excessive focusing on a single task to the detriment of the supervision of other critical parameters. Method: An experimental setup composed of a real unmanned ground vehicle and a ground station was developed to test the efficiency of the cognitive countermeasures.The scenario (with and without countermeasure) involved an authority conflict between the participants and the robot induced by a battery failure.The effects of the conflict and, in particular, the impact of cognitive countermeasures on the participants’ cognition and arousal were assessed through heart rate measurement and eye tracking techniques. Results: In the control group (i.e., no countermeasure), 8 out of 12 participants experienced attentional tunneling when facing the conflict, leading them to neglect the visual alarms displayed that would have helped them to understand the evolution of the tactical situation. Participants in the countermeasure group showed lower heart rates and enhanced attentional abilities, and 10 out of 11 participants made appropriate decisions. Conclusions: The use of cognitive countermeasures appeared to be an efficient means to mitigate excessive focus issues in the unmanned ground vehicle environment. Applications: The principle of cognitive counter- measures can be applied to a large domain of applications involving human operators interacting with critical systems

Cognition and piloting performance: offline and online measurements

In aeronautics, the notion that cognitive performance is correlated with accident rates raises the importance of implementing more efficient cognitive selection procedures for pilot candidates. The Cambridge Neuropsychological Testing Automated Battery (CANTAB) has established sensitivity to a range of cognitive functions and their neurobiological substrates. The ability of CANTAB to predict success during pilot training courses (notably based on the evaluation of flight performance) will be examined and compared to that of tests currently in use by one of the leading French civil aviation schools (ENAC) for their pilot candidate selection procedures. Ultimately, the goal is to inform the development of an optimized pilot selection tool that taps into the cognitive functions and underlying neural circuitries required for successful piloting activities. Moreover, through the implementation of a dual-task paradigm, this study aims to provide guidelines for future cockpit instrumentation designs better adapted to the human brain, in a further attempt to reduce accident rates

Cognitive conflict in human–automation interactions: A psychophysiological study

The review of literature in sociology and distributed artificial intelligence reveals that the occurrence of conflict is a remarkable precursor to the disruption of multi-agent systems. The study of this concept could be applied to human factors concerns, as man-system conflict appears to provoke perseveration behavior and to degrade attentional abilities with a trend to excessive focus. Once entangled in such conflicts, the human operator will do anything to succeed in his current goal even if it jeopardizes the mission. In order to confirm these findings, an experimental setup, composed of a real unmanned ground vehicle, a ground station is developed. A scenario involving an authority conflict between the partici- pants and the robot is proposed. Analysis of the effects of the conflict on the participants’ cognition and arousal is assessed through heart-rate measurement (reflecting stress level) and eye-tracking techniques (index of attentional focus). Our results clearly show that the occurrence of the conflict leads to perseveration behavior and can induce higher heart rate as well as excessive attentional focus. These results are discussed in terms of task commitment issues and increased arousal. Moreover, our results suggest that individual differences may predict susceptibility to perseveration behavior

Mirror neuron based alerts for control flight into terrain avoidance

Controlled flight into terrain (CFIT) accidents occur when an aircraft, under the control of the crew, is flown into terrain (or water) with no prior awareness from the part of the crew of the imminent catastrophe (Wiener, 1977). In commercial aviation, CFIT are among the deadliest accidents but the situation has continuously improved this last decade. In particular, a spectacular fall in the number of fatalities was made possible by the introduction of enhanced ground proximity warning systems (EGPWS). However, CFIT accidents remain the second leading cause of on-board fatalities and several crashes of this category involving airplanes equipped with EGPWS occurred since 2007. The human factor plays a major role in that type of disaster and studies show that visual and auditory alarms are not always taken into account. Yet, when a ‘PULL UP’ alert is triggered, the pilot has only a few seconds to react in order to avoid the impending CFIT. Most of the time, the procedure is quite simple: the pilot must pull full back on the stick and apply maximum thrust to gain altitude. In this study, we introduced a new type of visual alert specifically dedicated to activate the mirror neurons that appear to play a key role in both action understanding and imitation (Rizzolatti, 2004). Such motor neurons are known to fire either when a person acts or when a person observes the same action performed by another one. We hypothesized that an immediate understanding of a required behavior, displayed by a video that shows the appropriate actions to perform, will activate the mirror neurons and provoke an extremely rapid reaction from the pilots to prevent a potential collision. We designed short videos displayed in the primary flight displays in which virtual avatars explicitly performed the actions on the levers and on the stick. Three pilots completed 10 different flight scenarios during the approach phase with a full motion A320 flight simulator. In some of the scenarios, an alarm was triggered just before an imminent collision and the pilots had to immediately perform a go-around. The results showed that the videos with avatars allowed much shorter reaction times than the regular textual ‘PULL UP’ alerts. While the anti-collision maneuver was initiated in 7.60 s (SD = 1.83) with the regular alert, video mean reaction time was 1.27 s (SD = 0.31). This encouraging preliminary outcome opens new perspectives on mirror neuron based human machine interfaces